城市化背景下植物多樣性特征的分析

劉燕杰，王婉懿，呂文思，滿 良，鄒金華

（天津師范大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院，b.天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

城市化背景下植物多樣性特征的分析

劉燕杰，王婉懿，呂文思，滿 良，鄒金華

（天津師范大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院，b.天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

為了解城市化進(jìn)程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中植物多樣性特征的影響，以天津市西青區(qū)大學(xué)城內(nèi)的天津師范大學(xué)校園及毗鄰農(nóng)田為研究對(duì)象，調(diào)查這2個(gè)生境中的植物種類和分布情況，計(jì)算植物群落的Simpson指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Shannon-Weiner指數(shù)，比較城市化過程中人工植被同原有農(nóng)田植被的優(yōu)劣.調(diào)查記錄到天津師范大學(xué)校園內(nèi)共有植物48科111種，生活區(qū)的植物種類高于教學(xué)區(qū)、科研區(qū)和體育館；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中有植物26科56種，所占面積較多的為禾本科作物.校園生態(tài)系統(tǒng)中的植物在種類、生活型結(jié)構(gòu)、觀賞特性和景觀時(shí)序性方面，各項(xiàng)多樣性指數(shù)均高于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；在植物同生境和整體環(huán)境的和諧性方面，校園生態(tài)系統(tǒng)則低于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng).

城市化；植物種類；多樣性指數(shù)；和諧性

城市化指的是一個(gè)國家或地區(qū)由傳統(tǒng)鄉(xiāng)村型社會(huì)向現(xiàn)代城市型社會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變的歷史過程.伴隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)行，城市范圍內(nèi)人為干擾的強(qiáng)度由郊區(qū)向市中心呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，外來植物的種類及數(shù)量也隨著城市化程度的加大而增多，植物多樣性由郊區(qū)向市中心逐步減少，其中野生植物的減少尤為明顯[1-2].城市化背景下植物的多樣性大多來自于人為種植，城市化在一定程度上促進(jìn)了物種的均一化[3-5].城市綠地的建設(shè)，一方面優(yōu)化了城市生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，美化了人們的居住環(huán)境；另一方面，也存在部分綠地林型單一、群落結(jié)構(gòu)不合理、鄉(xiāng)土植物應(yīng)用不足等問題[6-7].校園是一個(gè)功能復(fù)雜的綜合體，綠化是其重要組成部分.校園植物在一定程度上美化了校園環(huán)境，改善了局部氣候，為師生提供了舒適的工作學(xué)習(xí)場(chǎng)所，同時(shí)還可為相關(guān)專業(yè)的教學(xué)、科研提供便利[8-9].

天津師范大學(xué)地處天津市西青區(qū)郊區(qū)新城，正處在城市化的過程中，原有自然植被的生物多樣性產(chǎn)生了很大的變化，植物群落由最初以農(nóng)田為主體逐步演

變?yōu)楝F(xiàn)在的復(fù)雜格局.本課題組于2013年4月—2015年3月，對(duì)天津師范大學(xué)校園內(nèi)和大學(xué)城毗鄰的農(nóng)田區(qū)域的植物群落進(jìn)行調(diào)查，比較2種生境下植物群落的物種組成、分布及植物多樣性，分析城市化進(jìn)程中人工建立植物群落與環(huán)境的匹配性，以期為區(qū)域的植物分布、生態(tài)評(píng)價(jià)及合理利用等方面提供參考.

1 研究區(qū)域概況

天津師范大學(xué)坐落于天津市西青區(qū)大學(xué)城內(nèi)，該地區(qū)位于天津市西南部，平均海拔3.4 m，區(qū)域氣候?qū)倥瘻貛О敫珊禎駶?rùn)季風(fēng)型，四季分明.年均降水量約620 mm，受季風(fēng)影響，77%的降水集中在6、7、8這3個(gè)月份，干旱季節(jié)明顯.年均氣溫13.1℃，最低月（1月份）平均氣溫－4.5℃，最高月（7月份）平均氣溫28.9℃，年平均溫差33.4℃.冬季以西北風(fēng)為主.平均無霜期為227 d，年日照時(shí)數(shù)為2 608 h.整個(gè)區(qū)域地勢(shì)平坦，土壤為半水成土綱的潮土和水成土綱的沼澤土.

2 研究方法

2013年4月—2015年3月，在天津師范大學(xué)校園內(nèi)選取5個(gè)樣地，每個(gè)樣地大小為100 m×200 m，分別是二食堂與勸學(xué)樓（教學(xué)）之間的樹林、圖書館西邊的樹林、西門以北的生活區(qū)、明理樓（科研）東側(cè)的樹林以及體育館東側(cè)的樹林.各樣地以及農(nóng)田區(qū)域的相對(duì)位置如圖1所示.

圖1 樣地的相對(duì)位置Fig.1 Relative location of each sample plot

校園植物中喬木與灌木分布較為集中，而草本相對(duì)分散且出現(xiàn)頻率較高.根據(jù)校園植物種類的觀賞特性、開花季節(jié)和生活型特點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于植物生活型方面，本研究考慮了常綠針葉、落葉針葉、常綠闊葉和落葉闊葉特性.在大學(xué)城毗鄰的農(nóng)田區(qū)域選取5個(gè)樣地，每個(gè)樣地大小為100 m×200 m，包括農(nóng)田、路邊、農(nóng)村居住地.

采用定性指標(biāo)與定量指標(biāo)相結(jié)合的方法對(duì)植物景觀進(jìn)行評(píng)價(jià).定量指標(biāo)方面，通過統(tǒng)計(jì)常綠針葉與落葉針葉、常綠闊葉與落葉闊葉、觀花、觀葉、觀果等應(yīng)用樹種以及觀花植物開花季節(jié)分布來計(jì)算多樣性指數(shù)[10-13].多樣性指數(shù)主要包括：物種豐富度指數(shù)（S）、度量群落優(yōu)勢(shì)度的Simpson指數(shù)（D）、反映群落多樣性高低的Shannon-Weiner指數(shù)（H）和反映群落中不同物種多度分布均勻程度的Pielou均勻度指數(shù)（E）.這些指數(shù)作為多樣性的測(cè)度指標(biāo)，得分由各項(xiàng)分值乘以相應(yīng)權(quán)重獲得.物種多樣性指數(shù)以植物種類及其株數(shù)計(jì)算獲得；通過統(tǒng)計(jì)群落內(nèi)落葉與常綠、針葉與闊葉植物的種類和數(shù)量，參照文獻(xiàn)[14-15]中的方法獲得生活型多樣性指數(shù).各項(xiàng)指數(shù)的計(jì)算公式如下：

S=出現(xiàn)在樣地中的物種數(shù)

式中：pi=Ni/N，Ni為第i種植物的數(shù)量，N為所調(diào)查的植物總數(shù).Hmax=lnS，是當(dāng)群落中S個(gè)種類植物的出現(xiàn)概率均為1/S時(shí)的多樣性指數(shù).累和為D、H、E三者數(shù)值相加，分值由累和乘以權(quán)重計(jì)算得出，權(quán)重系數(shù)參照文獻(xiàn)[16].

3 結(jié)果與分析

3.1 大學(xué)校園內(nèi)與周圍農(nóng)田的植物組成

在大學(xué)校園內(nèi)共記錄到植物111種，隸屬48科，如表1所示.其中，裸子植物包括4科8屬11種，主要是松科的油松與雪松、柏科的圓柏與龍柏等觀賞喬木或灌木；單子葉植物包括5科12屬13種，主要有禾本科的葦狀羊茅、升馬唐和蘆葦?shù)炔荼净蛩参铮浑p子葉植物包括39科75屬88種，薔薇科種類最多，共9屬14種，主要有西府海棠、月季、黃刺玫等觀花植物，其他雙子葉植物共66屬74種，其中毛白楊、一球懸鈴木、毛泡桐等為區(qū)域常見喬木，紫葉小檗、冬青衛(wèi)矛、小葉女貞等為區(qū)域常見灌木，均為人工種植.此外，還有一些原生的藜科、菊科雜草等.

表1 天津師范大學(xué)校園內(nèi)植物種類Tab.1 Plant species in campus of Tianjin Normal University

續(xù)表1

在大學(xué)城毗鄰農(nóng)田、農(nóng)村居住區(qū)及周圍路邊區(qū)域共記錄到植物56種，隸屬26科，具體種類如表2所示.其中單子葉植物包括4科12屬12種，除了玉蜀黍、水稻、大麥、高粱等作物外，禾本科草本植物在數(shù)量上占優(yōu)；雙子葉植物包括22科42屬44種，既有國槐、白蠟等高大喬木，也有桑、棗、桃、杏等經(jīng)濟(jì)林木，其余為茄、辣椒等低矮經(jīng)濟(jì)作物.所占面積較多的為禾本科植物.

表2 大學(xué)城毗鄰農(nóng)田的植物種類Tab.2 Plant species in adjacent farmland in University Town

3.2 大學(xué)校園內(nèi)與毗鄰農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的植物屬種分布

對(duì)天津師范大學(xué)校園內(nèi)的不同功能區(qū)域進(jìn)行植物屬種數(shù)量的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示.

圖2 大學(xué)校園內(nèi)不同功能區(qū)域的植物屬種分布Fig.2 Distribution of genius and species of plants in different functional regions in campus of Tianjin Normal University

由圖2可以看出，校園生活區(qū)分布的植物在目、科、屬、種4個(gè)水平上數(shù)量均高于其他區(qū)域，尤其是植物種類，接近60種，遠(yuǎn)高于其他區(qū)域.這主要是考慮到生活區(qū)是學(xué)生在校園內(nèi)的主要活動(dòng)和休息場(chǎng)所，人員相對(duì)密集，尤其是在傍晚和晚上.為了給學(xué)生創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境，改善小氣候區(qū)域內(nèi)的空氣條件，學(xué)校在兼顧觀賞性和實(shí)用性的基礎(chǔ)上，在生活區(qū)栽種較多種類的植物，既有龍柏和冬青衛(wèi)矛等能分泌殺菌素且具有抗氟化氫能力的灌木，也有合歡等具有抗氯吸氯能力的喬木，還有能夠分泌油脂吸附粉塵的被毛植物，如一球懸鈴木等.除生活區(qū)外，位于食堂和教學(xué)樓之間的區(qū)域植物屬種也較多，在白天該區(qū)域?qū)W生也較為集中.其他3個(gè)區(qū)域人員相對(duì)較少，因此植物種類少于生活區(qū)和教學(xué)區(qū).

農(nóng)田景觀的植物組成相對(duì)簡(jiǎn)單，大部分面積為農(nóng)田，主要栽種的是小麥、水稻、落花生等農(nóng)作物，伴生一些禾本科和菊科的雜草，如蒲公英、升馬唐、狗尾草等；其次是農(nóng)田旁的公路，路邊主要是由國槐、垂柳和毛白楊等構(gòu)成的行道樹.由于近幾年城市化進(jìn)程的加快，加上該區(qū)域行道樹單一且公路車流量增大，因此農(nóng)田空氣質(zhì)量相較以前有所下降.

3.3 大學(xué)校園內(nèi)與周圍農(nóng)田植物多樣性的比較

比較天津師范大學(xué)與周圍農(nóng)田的植物多樣性指數(shù)，結(jié)果如表3所示.由表3可以看出，大學(xué)校園內(nèi)的各項(xiàng)植物多樣性指數(shù)幾乎都高于農(nóng)田的數(shù)值.這是因?yàn)檗r(nóng)田的物種較為單一，農(nóng)田植物的生活型結(jié)構(gòu)大多為一年生草本或藤本，如大豆、水稻等農(nóng)作物和蒲公英、狗尾草、堿蓬等雜草，喬木主要是作為路邊行道樹的國槐、毛白楊、垂柳.校園內(nèi)則人工引入了較多的園林綠化植物，既有用來遮蔭和凈化空氣的高大喬木，如一球懸鈴木、銀杏、毛白楊、垂柳等，也有西府海棠、紫葉李、山桃等高度略低的觀花喬木，圓柏、側(cè)柏、紫丁香、金鐘花等灌木組成更低一層的植被，最低處為萱草、鳶尾等草本植物，另外還保留了原有濕地的蘆葦.同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)相比，校園生態(tài)系統(tǒng)中更多的是在園林綠化中常見的植物種類，生活型結(jié)構(gòu)也更加多樣化，植物多樣性朝觀賞性發(fā)展.在多樣性指標(biāo)中，校園植物群落與生境的和諧性顯著低于農(nóng)田植物群落，與整體環(huán)境的和諧性也略低于后者.

4 討論和結(jié)論

本研究調(diào)查了天津師范大學(xué)校園內(nèi)與毗鄰農(nóng)田的植物群落物種組成，對(duì)比數(shù)據(jù)顯示，校園內(nèi)植物種類繁多，但野生植物較少，這與張金屯等[1]關(guān)于城市化對(duì)森林植被、土壤和景觀影響的結(jié)論相似.雖然大學(xué)校園內(nèi)植物的物種、生活型結(jié)構(gòu)、景觀時(shí)序性、觀賞特性等多樣性指數(shù)高于農(nóng)田，但天津師范大學(xué)人工生態(tài)系統(tǒng)的植物組成在與其生境的和諧性和與其整體環(huán)境的和諧性方面不如原有的農(nóng)田系統(tǒng).這說明了城市化背景下的人工生態(tài)系統(tǒng)雖然有利于人類居住，但是植物同周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性方面尚存在不足.建議在今后的人工植被設(shè)計(jì)中，在獲得景觀效益和功能效益的同時(shí)，兼顧植物同整體環(huán)境的協(xié)調(diào)性.

致謝：本研究得到了天津師范大學(xué)后勤部校容科的大力支持和幫助，特此感謝！

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（責(zé)任編校 紀(jì)翠榮）

Plant diversity analysis under the background of urbanization

LIU Yanjie，WANG Wanyi，Lü Wensi，Manley，ZOU Jinhua
（a.College of Life Sciences，b.Tianjin Key Laboratory of Animal and Plant Resistance，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

To learn the influence of urbanization progress on the plant diversity of ecosystems，the campus of Tianjin Normal University and the adjacent farmland in University Town of Xiqing District in Tianjin were sampled for the investigation of composition of plant species and distributions.Some diversity indexes，including Simpson index，Pielou eveness index and Shannon-Weiner index，were calculated to compare the advantages and disadvantages of artificial vegetation with original farm vegetation.111 species belonging to 48 families were recorded in the campus，and the species in living quarters were more than those in teaching area，researching area and gymnasium.56 species belonging to 26 families were recorded in the farmland ecosystem，and graminaceous crops occupied the most areas of farmland.In respect of plant species，structures of life-forms，ornamental features and landscape scheduling，the diversity indexes in the schoolyard were higher than those in the farmland.While，as for the harmony of plants with habitats and whole environment，the campus was inferior to the farmland.

urbanization；plant species；diversity index；harmony

Q948

A

1671-1114（2016）06-0062-07

2015-11-01

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013145）.

劉燕杰（1994—），女，本科生.

滿 良（1971—），男，副教授，主要從事植物生態(tài)學(xué)方面的研究